(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出された排出ガスを排気管路を経てシステム外部に排気する燃料電池システムであって、
前記排気管路を、前記燃料電池に繋がる上流管路と、前記システム外部の側の下流管路と、該下流管路を前記上流管路に接続する接続管路部を含んで構成し、
前記上流管路と前記下流管路とを、重力方向を上下方向とする管路の上側の面である前記上流管路の管路上面が前記下流管路の管路上面より高くなるように配設し、
前記接続管路部を、前記下流管路から前記上流管路にかけて上昇する上昇管路を有するものとした上で、前記上昇管路の管路下面側の頂点が前記上流管路の管路上面と管路下面との間に位置するように配設して備え、
前記下流管路は、管路上流側から下流側に掛けて低くなる傾斜管路とされている
燃料電池システム。
【請求項２】
前記接続管路部は、前記上流管路の下流端から前記下流管路の上流端に繋がる管路であって重力方向の上側に凸とされている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記下流管路は、管路上流側から下流側に至る間に水平方向において屈曲した管路とされている請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池を収容するケースを備え、前記上流管路を前記ケース内に配設し、前記ケースの外部にて前記下流管路を前記接続管路部により前記上流管路に接続する請求項１ないし請求項３いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ケース内の前記上流管路を絶縁性の管路部材から形成した請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
車両であって、
請求項１ないし請求項５いずれかに記載の燃料電池システムを備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムと、この燃料電池システムを備える車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池から排出された排出ガスを、燃料電池システムの外部に排気するための排気管路を備える。
【０００３】
近年では、このような燃料電池システムを搭載する車両が提供されつつあり、システム搭載性を高める技術が種々提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２２８６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献で提案されたように燃料電池を車両床下に搭載する場合、車両床下の燃料電池から排気管路を延ばすに当たり、車両走行中の路面凸部や路面落下物との干渉を避ける上から管路配設位置に制約を受ける。具体的には、車両床下搭載の燃料電池から落差を確保して排気管路を低所に配設すると、排気管路と路面凸部や路面落下物との干渉が危惧されるので、排気管路は、車両床下において燃料電池とほぼ同じ高さから配設されることになる。
【０００６】
ところで、燃料電池からの排出ガスには、電気化学反応に伴って生成された水が含まれていることから、その水が燃料電池運転中に排出管路に貯まることが有り得る。この管路内の水は燃料電池に浸入することが考えられるが、燃料電池への水の浸入は、排出管路を車両床下搭載の燃料電池から落差を確保して配設することで容易に抑制できる。しかしながら、既述したように路面凸部との干渉回避の必要上、床下搭載の燃料電池からの落差確保が困難なため、燃料電池を床下搭載する場合の何らかの対策が求められるに至った。なお、こうした問題は、燃料電池および配管管路を有する燃料電池システムを、既存建物に設置する据え付けタイプにあっても起き得る。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池への水の浸入抑制と燃料電池システムの設置性の向上を両立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００９】
[適用１：燃料電池システム]
燃料電池から排出された排出ガスを排気管路を経てシステム外部に排気する燃料電池システムであって、
前記排気管路を、前記燃料電池に繋がる上流管路と、前記システム外部の側の下流管路と、該下流管路を前記上流管路に接続する接続管路部を含んで構成し、
前記上流管路と前記下流管路とを、管路の上側（重力方向を上下方向とする。以下同じ）の面である前記上流管路の管路上面が前記下流管路の管路上面より高くなるように配設し、
前記接続管路部を、前記下流管路から前記上流管路にかけて上昇する上昇管路を有するものとした上で、前記上昇管路の管路下面側の頂点が前記上流管路の管路上面と管路下面との間に位置するように配設して備える
ことを要旨とする。
【００１０】
上記構成を備える燃料電池システムでは、燃料電池からの排出ガスに含まれる水は、その排出ガスと共に排気管路の上流管路を経た後に、接続管路部から下流管路に達する。本燃料電池システムでは、これら各管路について、重力方向を上下方向とした場合の上流管路の管路上面を下流管路の管路上面より高くしていると共に、上流管路と下流管路を接続する接続管路部を、下流管路から上流管路にかけて上昇する上昇管路を有するものとした上で、上昇管路の管路下面側の頂点を上流管路の管路上面と管路下面との間に位置させている。このため、燃料電池の運転に伴い上流管路と下流管路に仮に水が貯まった状況を想定すると、上流管路の水は、上昇管路の管路下面側の頂点を境にして、下流配管の水と分断される。こうした上流管路から下流管路への水の分断に加え、上流管路から下流管路の側に排出される排出ガスは、上流管路の水を下流管路の側に押し流す作用を果たす。この結果、燃料電池からの落差を排気管路に十分確保できないとしても、燃料電池への水の浸入を上流管路に貯まった水に制限しつつ排出ガスによる下流管路への水の押し流しを図ることで、燃料電池への水の浸入を抑制できる。そして、燃料電池からの大きな管路落差の確保が不要であることから、燃料電池システムを車両に搭載する場合には燃料電池の床下搭載が可能となる。据え置き型の燃料電池システムにあっては、燃料電池を持ち上げて管路の落差を確保することが不要となり、据え置き設置箇所の自由度が高まる。
【００１１】
上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記接続管路部を、前記上流管路の下流端から前記下流管路の上流端に繋がる管路であって重力方向の上側に凸のものとすれば、簡便である。
【００１２】
また、前記下流管路を、管路上流側から下流側に掛けて低くなる傾斜管路とすれば、下流管路では、水は管路下流側に流れることから、下流管路から上流管路の側への水の逆流も抑制できる。
【００１３】
また、前記下流管路を、管路上流側から下流側に至る間に水平方向において屈曲した管路とすれば、次の利点がある。燃料電池システムを搭載した車両では、車両のブレーキングや加速走行に伴い管路の水には加速度が作用する。燃料電池搭載車両では、通常、排気管路は燃料電池から車両後方側に延びることから、ブレーキングの際の加速度により、管路の水はその上流側に戻ろうとする。よって、屈曲した管路範囲が加速度の作用方向に交差していれば、加速度により管路に沿って上流側に流れる水の逆流を防止できる。
【００１４】
また、ケースに前記燃料電池を収容した上で、前記上流管路を前記ケース内に配設し、前記ケースの外部にて前記下流管路を前記接続管路部により前記上流管路に接続するようにできる。こうすれば、燃料電池収容ケースを境にして管路接続を行うことができ、簡便である。この場合、前記ケース内の前記上流管路を絶縁性の管路部材から形成すれば、燃料電池を排気管路に対して電気的に絶縁できるので、管路メンテナンスの際の感電を防止できる。
【００１５】
本発明は、上述した燃料電池システムとしての構成の他、この燃料電池システムを搭載した車両としても適用でき、この車両では、燃料電池の床下搭載を図った上で、燃料電池への水の浸入を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０を概略的に示す説明図である。
【図２】ガス排出系１５０の要部を車両横方向から見て模式的に示す説明図である。
【図３】図１相当図であり変形例の下流管路１５３の経路を概略的に示す説明図である。
【図４】図２相当図であり上流管路１５１と下流管路１５３の他の形態を示す説明図である。
【図５】図２相当図であり接続管路部１５４の他の形態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池システム１０を概略的に示す説明図である。
【００１８】
図示するように、この燃料電池システム１０は、燃料電池搭載車両２０に搭載されている。燃料電池搭載車両２０は、燃料電池システム１０を構成する燃料電池１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モータ駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、図示しない冷却系と、ガス排出系１５０とを備える。燃料電池１００は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた図示しない膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成され、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に搭載されている。そして、この燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を起こして発電し、その発電電力にて前後輪の図示しない駆動用モータ等の負荷を駆動する。また、燃料電池１００は、後述の上流管路１５１と排出流量調整バルブ１５２を含んでケース１０２に収容されている。
【００１９】
水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給管路１２１と、当該管路の流量調整バルブ１２２と、燃料電池１００の手前の開閉バルブ１２４とを備える。この水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０からの水素ガスを、水素供給管路１２１の流量調整バルブ１２２にて流量調整した上で燃料電池１００のアノードに供給する。本実施例では、流量調整バルブ１２２は、ガス流量を流量ゼロから調整可能であり、流量ゼロとすることで水素供給管路１２１の閉塞を図る。この状態で開閉バルブ１２４を管路開放とすることで、図示しない水素ガス供給用の分岐管路から水素ガスタンク１１０に水素ガスが充填補給される。
【００２０】
空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池１００に到る酸素供給管路１４１を備え、酸素供給管路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０にて流量調整した上で燃料電池１００のカソードに供給する。
【００２１】
ガス排出系１５０は、燃料電池１００から排出された排出ガス、詳しくは、未消費の水素ガス（アノードオフガス）と未消費の空気（カソードオフガス）とをシステム外部に排気する管路構成を備える。このガス排出系１５０は、燃料電池１００に繋がる上流管路１５１と、この上流管路に繋がる下流管路１５３と、上下の管路を接続する接続管路部１５４とを備え、上流管路１５１には、当該管路の排出流量調整バルブ１５２を備える。燃料システム外部の側の下流管路１５３は、上流管路１５１に直接接続される上流側下流管路１５３ａと、当該管路から水平方向で屈曲して車幅方向に沿って延びる屈曲下流管路１５３ｂと、図示しない排気マフラーに繋がる最下流管路１５３ｃとを備える。そして、ガス排出系１５０は、排出流量調整バルブ１５２で調整された流量で、上記のオフガスを混合した上で大気放出する。接続管路部１５４は、ケース１０２の外側において、上流管路１５１と下流管路１５３（詳しくは上流側下流管路１５３ａ）とを接続する。
【００２２】
次に、上記したガス排出系１５０における管路構成について詳述する。図２はガス排出系１５０の要部を車両横方向から見て模式的に示す説明図である。
【００２３】
図示するように、上流管路１５１は、その管路に亘ってケース１０２の内部に配設されており、排出流量調整バルブ１５２から立ち下がった落差管路部１５１ａを備える。燃料電池１００は、ケース１０２の内部においてマウント部材（図示略）にて保持されることから、落差管路部１５１ａはこのマウント高さに相当する僅かな落差で、燃料電池１００の図示しない排出ガスマニホールドから立ち下がることになる。本実施例では、排出流量調整バルブ１５２より下流の落差管路部１５１ａを含む上流管路１５１を、絶縁性の樹脂から形成した。
【００２４】
下流管路１５３は、上流側下流管路１５３ａと屈曲下流管路１５３ｂと最下流管路１５３ｃとを、図１に傾斜記号Ｋで表すようにそれぞれの管路において管路上流側から下流側に掛けて低くなる傾斜管路として備える。下流管路１５３は、上流管路１５１との接続対象である上流側下流管路１５３ａにおいて、重力方向における上流管路１５１の管路上面１５１ＵＦが重力方向における上流側下流管路１５３ａの管路上面１５３ＵＦより高くなるように配設されている。つまり、上流側下流管路１５３ａの管路上面１５３ＵＦと管路下面１５３ＤＦのそれぞれは、上流管路１５１の管路上面１５１ＵＦと管路下面１５１ＤＦより低くなる。
【００２５】
上記の上流管路１５１に下流管路１５３（詳しくは、上流側下流管路１５３ａ）を接続する接続管路部１５４は、重力方向の上側に凸の管路経路を備える。接続管路部１５４は、ケース１０２の外部に配設され、管路上下端において、図示しない管路締結部材を用いて上流管路１５１の末端と上流管路１５１の上流端とに接続される。この接続管路部１５４は、上記したように凸であることから、下流管路１５３から上流管路１５１にかけて上昇する上昇管路１５４ＵＫを形成し、上流管路１５１と下流管路１５３に対する重力方向の位置関係は、次のように規定されている。つまり、接続管路部１５４は、重力方向における上昇管路１５４ＵＫの管路下面１５４ＤＦの側の頂点１５４ＴＰが重力方向における上流管路１５１の管路上面１５１ＵＦと管路下面１５１ＤＦとの間に位置するように配設される。このため、上流管路１５１に仮に水が貯まっても、その水位は頂点１５４ＴＰで規定され、上流管路１５１では、水の水位面と管路上面１５１ＵＦとの間に間隙が形成される。この間隙は、燃料電池１００からの排出ガス流路となる。
【００２６】
その一方、下流管路１５３との関係については次のようになる。下流管路１５３の上流側下流管路１５３ａはその管路上下面を下流管路１５３に対して上記した位置関係を取り、接続管路部１５４が上記した上昇管路１５４ＵＫを有する。よって、下流管路１５３に仮に水が貯まった場合の上流側下流管路１５３ａにおける水の水位は、頂点１５４ＴＰより低い管路上面１５３ＵＦで規定され、上流管路１５１の水と上流側下流管路１５３ａの水とは、水位に差を持って頂点１５４ＴＰで分断されることになる。
【００２７】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池１００からの排出ガスに含まれる水は、その排出ガスと共にガス排出系１５０の上流管路１５１を経た後に、接続管路部１５４から下流管路１５３に達する。本実施例の燃料電池システム１０では、これら各管路について、重力方向における上流管路１５１の管路上面１５１ＵＦを重力方向における下流管路１５３（詳しくは上流側下流管路１５３ａ）の管路上面１５３ＵＦより高くしている。これに加えて、燃料電池システム１０は、上流管路１５１と下流管路１５３を接続する接続管路部１５４を、下流管路１５３から上流管路１５１にかけて上昇する上昇管路１５４ＵＫを有するものとした上で、重力方向における上昇管路１５４ＵＫの管路下面１５４ＤＦの側の頂点１５４ＴＰを重力方向における上流管路１５１の管路上面１５１ＵＦと管路下面１５１ＤＦとの間に位置させている。このため、燃料電池１００の運転に伴い上流管路１５１と下流管路１５３に仮に水が貯まった状況を想定すると、上流管路１５１の水は、上昇管路１５４ＵＫの管路下面１５４ＤＦの側の頂点１５４ＴＰを境にして、既述したように下流管路１５３の水と分断される。
【００２８】
本実施例の燃料電池システム１０では、こうした上流管路１５１から下流管路１５３への水の分断に加え、上流管路１５１の管路上面１５１ＵＦと水位面との間を既述したように排出ガス流路とするので、上流管路１５１から下流管路１５３の側に排出される排出ガスに、上流管路１５１の水を下流管路１５３の側に押し流す作用を果たさせる。下流管路１５３の側でも同様である。本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池１００と上流管路１５１とを共にケース１０２に収容することから、燃料電池１００から上流管路１５１までの落差を既述したマウント高さ程度の僅かしか確保できない。しかしながら、本実施例の燃料電池システム１０によれば、接続管路部１５４の頂点１５４ＴＰでの上流側・下流側の水の分断により燃料電池１００への水の浸入を上流管路１５１に貯まった水に制限しつつ排出ガスによる下流管路１５３の側への水の押し流しを図ることで、燃料電池１００への水の浸入を抑制できる。そして、上流管路１５１をケース内に留めておくことで燃料電池１００からの大きな管路落差の確保が不要であることから、燃料電池システム１０を搭載する燃料電池搭載車両２０においては、燃料電池１００の床下搭載が可能となる。
【００２９】
また、上記したようにケース１０２の内部の上流管路１５１とその下流の下流管路１５３との間で水を分断できることから、次の利点もある。通常、下流管路１５３は、適宜な管路箇所にて車両ボディーに固定金具により固定され、固定金具を介して下流管路１５３と車両ボディーは導通する。仮に、上流管路１５１と下流管路１５３とで水の分断がないとすれば、上流管路１５１から下流管路１５３に掛けて繋がった水により、燃料電池１００の短絡が起き得る。しかしながら、上記したように水の分断を図るので、電池短絡を簡単に防止できる。
【００３０】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、接続管路部１５４を、上流管路１５１の下流端から落差管路部１５１ａの上流端に繋がる管路であって重力方向の上側に凸の管路としたので、簡単な構成で上記した水の分断を図ることができる。
【００３１】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、下流管路１５３を、その上流側下流管路１５３ａと屈曲下流管路１５３ｂと最下流管路１５３ｃのそれぞれにおいて、図１の傾斜記号Ｋに示すように管路上流側から下流側に掛けて低くなる傾斜管路とした。このため、下流管路１５３のそれぞれの管路において水が管路下流側に流れるようにできるので、下流管路１５３から上流管路１５１の側への水の逆流を抑制できる。
【００３２】
加えて、下流管路１５３では、上流側下流管路１５３ａに繋がる屈曲下流管路１５３ｂを水平方向において屈曲して車両幅方向に延びる管路としたので、次の利点がある。燃料電池システム１０を搭載した燃料電池搭載車両２０では、車両のブレーキングや加速走行に伴い管路の水には加速度が作用する。図１に示すように、上流管路１５１や下流管路１５３を含むガス排出系１５０は、燃料電池１００から車両後方側に延びていることから、ブレーキングの際の加速度により、上流管路１５１や下流管路１５３の管路の水はその上流側に戻ろうとする。ところが、本実施例では、屈曲下流管路１５３ｂを車両幅方向に延びるよう屈曲させているので、この屈曲下流管路１５３ｂの管路の水は、加速度を受けてもその全てが上流側の上流側下流管路１５３ａや上流管路１５１に流れることはない。屈曲下流管路１５３ｂより下流の最下流管路１５３ｃの管路の水がブレーキング加速度により屈曲下流管路１５３ｂに戻っても、この屈曲下流管路１５３ｂにおいて上記したように水の戻りが防止される。よって、屈曲下流管路１５３ｂを下流管路１５３に形成することで、燃料電池１００の側への水の逆流を防止できる。
【００３３】
上記したように屈曲下流管路１５３ｂが屈曲して車両幅方向に延び、この屈曲下流管路１５３ｂが管路上流側から下流側に掛けて低くなる傾斜管路であることから、次の利点もある。車両が旋回する際には、その旋回に伴う加速度が管路の水に掛かる。車両幅方向に延びた上で下流側に傾斜した屈曲下流管路１５３ｂでは、その管路の水は、旋回加速度を受けて下流側に流れようとするので、管路の水の下流側への排出が進み、この点からも水の逆流を防止できる。
【００３４】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、ケース１０２に燃料電池１００を収容した上で、上流管路１５１をケース１０２の内部に配設し、このケース１０２のケース外部にて下流管路１５３（詳しくは上流側下流管路１５３ａ）を接続管路部１５４により上流管路１５１に接続するようにした。このため、ケース１０２を境にして管路接続を行うことができ、簡便である。しかも、本実施例では、ケース１０２の内部に配設した上流管路１５１を絶縁性の樹脂から形成したので、燃料電池１００を上流管路１５１の下流の下流管路１５３に対して電気的に絶縁できる。このため、ガス排出系１５０のメンテナンスの際の感電を防止できる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、下流管路１５３が有する屈曲下流管路１５３ｂを配設するに当たり、その屈曲状況を次のように変形することができる。図３は図１相当図であり変形例の下流管路１５３の経路を概略的に示す説明図である。
【００３６】
図３に示す変形例では、下流管路１５３の上流側下流管路１５３ａを接続管路部１５４にて上流管路１５１に接続するに当たり、接続管路部１５４から車両幅方向の側に屈曲させ、上流側下流管路１５３ａを車両幅方向に屈曲して配設した。そして、落差管路部１５１ａの末端で管路を屈曲させた上で、最下流管路１５３ｃを繋げた。この場合、落差管路部１５１ａと最下流管路１５３ｃは、それぞれの管路において管路上流側から下流側に掛けて低くなる傾斜管路とされている。
【００３７】
この変形例では、燃料電池１００の直ぐ下流側の上流側下流管路１５３ａを車両幅方向に屈曲させているので、ブレーキング加速度による水の戻りの防止機能を燃料電池１００の近くで果たしている。よって、燃料電池１００の側への水の浸入に基づく短絡防止や発電性能低下回避の上から好ましい。なお、図３において車両後方側に向けて延びる最下流管路１５３ｃを管路途中で再度屈曲させて、車両幅方向に延びる屈曲下流管路を形成することもできる。こうすれば、上記した水の戻り防止機能が高まる。
【００３８】
また、上流管路１５１と下流管路１５３の上下位置関係については、上流管路１５１の管路上面１５１ＵＦが下流管路１５３の管路上面１５３ＵＦより高ければ、図２に示したものに限られない。図４は図２相当図であり上流管路１５１と下流管路１５３の他の形態を示す説明図である。図示するように、下流管路１５３そのものが上流管路１５１より低い箇所に配設することもできる。
【００３９】
また、接続管路部１５４にあっては、上に凸の管路構成としたが、次のようにすることもできる。図５は図２相当図であり接続管路部１５４の他の形態を示す説明図である。この形態であっても、接続管路部１５４は、下流管路１５３から上流管路１５１にかけての上昇管路１５４ＵＫを有し、その頂点１５４ＴＰは上流管路１５１の管路上下面の間に位置する。
【符号の説明】
【００４０】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池搭載車両
１００…燃料電池
１０２…ケース
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給管路
１２２…流量調整バルブ
１２４…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…酸素供給管路
１５０…ガス排出系
１５１…上流管路
１５１ａ…落差管路部
１５１ＤＦ…管路下面
１５１ＵＦ…管路上面
１５２…排出流量調整バルブ
１５３…下流管路
１５３ａ…上流側下流管路
１５３ｂ…屈曲下流管路
１５３ｃ…最下流管路
１５３ＤＦ…管路下面
１５３ＵＦ…管路上面
１５４…接続管路部
１５４ＤＦ…管路下面
１５４ＵＫ…上昇管路
１５４ＴＰ…頂点
Ｋ…傾斜記号
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
【図１】
0005402420.tif 000002
【図２】
0005402420.tif 000003
【図３】
0005402420.tif 000004
【図４】
0005402420.tif 000005
【図５】
0005402420.tif 000006